JP6968959B2 - 固体酸化物形燃料電池システム用の蒸発混合器 - Google Patents

Description

本発明は、蒸発混合器に関し、特に、原燃料ガスを水蒸気改質した燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムに使用される蒸発混合器に関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極（燃料極、酸化剤ガス極）を取り付け、燃料極側に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス極側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

この固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールについて、現在、小型化、低コスト化を実現するための開発が進められている。小型化の要請から燃料電池モジュール内に搭載する燃料電池セルの本数を減少させる必要があり、燃料電池モジュール内で発生する熱量が低下する。そこで、燃料電池モジュール内で消費される熱を少なくするため、水蒸気改質用の水蒸気を生成するための蒸発器を、燃料電池モジュール容器外の断熱材の内部に組み込む構造が採用されている。特開２０１６−５１５０５号公報（特許文献１）には、このように、燃料電池モジュール容器外に蒸発器を配置した固体酸化物形燃料電池装置が記載されている。

特開２０１６−５１５０５号公報

上記のように、蒸発器を燃料電池モジュール容器の外に配置することにより、モジュール容器内で消費される熱量が低下するため、発電運転を行う際の燃料利用率を高く設定し、発電効率を向上させた場合でもモジュール容器内を所用の温度に維持することが可能になる。これにより、発電運転における燃料利用率が向上した反面、排気ガスのもつ熱量は減少するため、蒸発器において少ない排熱を用いて効率的に水蒸気を生成する必要がある。

ここで、特許文献１記載の固体酸化物形燃料電池装置においては、蒸発器の上層に蒸発室及び混合室が設けられ、下層に排気ガス流路が設けられ、下層を流れる排気ガスと上層で生成される水蒸気が反対の方向に流れている。このような、所謂カウンターフロー形式の熱交換器は効率良く熱交換を行うことができ、少ない熱量で多くの水蒸気を生成することが可能になる。しかしながら、特許文献１記載の蒸発器においては、最も高温の排気ガスが流れる排気ガス流路の最上流側の上層には混合室が設けられているため、この部分を流れる排気ガスの熱が水の蒸発に利用できないという問題がある。蒸発器で生成可能な水蒸気量が不足している場合には、燃料電池システムの運転状況によっては、水蒸気改質により必要な量の燃料ガスを生成することが困難となり、燃料電池セルにおける燃料枯れ（燃料不足）を発生する虞がある。燃料枯れの発生は、燃料電池セルの劣化や損傷の原因となるという問題がある。

従って、本発明は、蒸発室内において十分な量の水蒸気を生成することができる固体酸化物形燃料電池システム用の蒸発混合器を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質した燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムに使用される蒸発混合器であって、固体酸化物形燃料電池システムは、燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、原燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、この燃料ガス供給装置によって供給された原燃料ガスを水蒸気改質するための水を供給する水供給装置と、を備え、蒸発混合器は、下層側に形成され、燃焼部で生成された燃焼ガスが流れる排気ガス室と上層側に形成され、水供給装置から供給された水を、排気ガス室内を流れる燃焼ガスの熱により蒸発させる蒸発室と、この蒸発室の下流側に形成され、生成された水蒸気と、燃料ガス供給装置から供給された原燃料ガスを混合する混合室と、を有し、燃焼ガスは蒸発混合器の長手方向の第１の端部から第２の端部へ流れ、水供給装置からの水は蒸発混合器の長手方向の第２の端部に供給され、生成された水蒸気は蒸発混合器の第１の端部側から流出し、燃料ガス供給装置からの原燃料ガスは蒸発室に供給されると共に、水供給装置からの水は、水流入口を介して蒸発室の床面である蒸発面上に供給され、混合室は、蒸発面に周囲を取り囲まれるように形成されている。

このように構成された本発明においては、燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスが、燃焼部において燃焼される。蒸発混合器では、その下層側に設けられた排気ガス室を流れる燃焼ガスの熱により、上層側の蒸発室に供給された水を蒸発させる。燃焼ガスは蒸発混合器の長手方向の第１の端部から第２の端部へ流れ、水は蒸発混合器の長手方向の第２の端部に供給され、生成された水蒸気は蒸発混合器の第１の端部側から流出する。原燃料ガスは蒸発室に供給されると共に、水は水流入口を介して蒸発室の床面である蒸発面上に供給される。蒸発室で生成された水蒸気と、供給された原燃料ガスは、蒸発室の下流側の、蒸発面に周囲を取り囲まれるように形成された混合室において混合される。

このように構成された本発明によれば、蒸発混合器の下層側の排気ガス室には第１の端部から第２の端部へ燃焼ガスが流れ、上層側の蒸発室には第２の端部から水が導入され、生成された水蒸気は第１の端部側から流出する。このように、本発明によれば、熱交換を行う燃焼ガスと水蒸気（水）が反対方向に流れるカウンターフローが実現されているので、燃焼ガスの熱を効率的に水に伝えることができ、少ない熱量で必要量の水蒸気を生成することができる。また、カウンターフローが実現されているため、蒸発室で最も温度が低くなる第２の端部に水が供給されることとなり、供給された水は温度の低い部分から次第に温度の高い部分に移動される。このため、供給された水が急激に加熱されることにより発生する突沸を抑制することができる。

さらに、蒸発室の下流側の混合室が、蒸発面に周囲を取り囲まれるように形成されているので、排気ガス室の最上流側付近の上層を蒸発室として使用することができる。これにより、排気ガス室内の高温の燃焼ガスが流れる部分の上層を蒸発面として利用することが可能になり、蒸発室における水蒸気の生成能力を高めることができる。これにより、燃料電池セルにおける燃料枯れ（燃料不足）発生のリスクを低減することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、蒸発室の内部に配置された蒸発促進材を有し、蒸発室内に供給された水は、排気ガス室内を流れる燃焼ガスによって加熱された蒸発室の内壁面、及びこの内壁面によって加熱された蒸発促進材のみを介して加熱される。

蒸発室における水蒸気の生成能力を高めるには、蒸発室内に入り組んだ流路を形成するための壁面を設け、これにより蒸発室内を流れる水又は水蒸気の経路を長くすることが考えられる。しかしながら、蒸発室をこのように形成すると、水又は水蒸気が流れる経路が狭くなるので、供給された水の水滴が過熱した壁面に接触しやすくなる。大きな水滴が過熱した壁面に接触すると、大量の水が急激に蒸発する突沸現象が発生する。突沸現象が発生すると、一時的に蒸発室の圧力が急上昇するため導入される原燃料ガスの量が減少し、燃料電池セルにおいて一時的な燃料不足が発生する。この燃料不足により、燃料電池セルの劣化が促進されたり、固体酸化物形燃料電池システムによる発電電圧が一時的に低下する等の問題が発生する。上記のように構成された本発明によれば、蒸発室内に経路を延長するための仕切りの壁面が設けられておらず、蒸発室内に供給された水は、蒸発室の内壁面、及びこの内壁面によって加熱された蒸発促進材のみを介して加熱されるので、突沸の発生を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、混合室の内部には、流入した原燃料ガス及び水蒸気を一旦複数の流路に分岐させた後、それらを再び合流させるように流路が形成されている。

このように構成された本発明によれば、混合室の内部に、原燃料ガス及び水蒸気を一旦複数の流路に分岐させた後、それらを再び合流させるように流路が形成されているので、短い流路で効率良く原燃料ガスと水蒸気を混合することができる。この結果、混合室をコンパクトに形成することが可能になり、蒸発室の蒸発面をさらに広くすることができ、水蒸気の生成能力を高くすることができる。

本発明において、好ましくは、混合室において混合された原燃料ガス及び水蒸気を流出させる混合室流出口は、蒸発面に周囲を取り囲まれるように配置されている。

このように構成された本発明によれば、混合室流出口が、蒸発面に周囲を取り囲まれるように配置されているので、蒸発面をさらに広くすることができる。即ち、蒸発面が混合室流出口の周囲を取り囲んでいるので、混合室流出口から流出する原燃料ガスと水蒸気の混合ガスを流すための管路によって蒸発面が占有されることがなく、蒸発面を広くすることができる。

本発明において、好ましくは、混合室は、混合室流出口の周囲を取り囲むように形成された内周壁と、この内周壁の外側を取り囲むように形成された外周壁によって構成され、蒸発室から原燃料ガス及び水蒸気を流入させる混合室流入口は、外周壁上の、水流入口から最も離れた位置に形成され、内周壁の内側と外側を連通させる連通口は、内周壁上の、混合室流入口から最も離れた位置に形成されている。

このように構成された本発明によれば、短い経路で水蒸気と原燃料ガスを混合することができる混合室を、簡単な構造で実現することができる。

本発明において、好ましくは、混合室の外周壁は上面視において円形に構成されている。
このように構成された本発明によれば、混合室の外周壁が上面視において円形に構成されているので、混合室内を流れる水蒸気と原燃料ガスの混合性を高めることができる。

本発明の蒸発混合器によれば、蒸発室内において十分な量の水蒸気を生成することができる。

本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムにおけるモジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの蒸発混合器を拡大して示す拡大断面図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの蒸発混合器の天板を省略した状態の斜視図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムにおいて、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

つぎに、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
図１に示すように、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュール容器８（以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。）が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、８個の燃料電池セルスタック１４（詳細は図６で後述する）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、各々が燃料電池セルを含む、１６本の燃料電池セルユニット１６（詳細は図５で後述する）から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１２８本の燃料電池セルユニット１６を有する。なお、ハウジング６は必須ではなく、断熱材７を保持するようなフレームを用いてもよい。燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２のモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガス（オフガス）と残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュールケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室１８の上方には、原燃料ガス（原料ガス）を改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。

さらに、ハウジング６内においてモジュールケース８の上方には、蒸発混合器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発混合器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュールケース８内の改質器１２０に供給する。

つぎに、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６から供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料ガス供給装置である燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器１２０内において、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみが生じるＰＯＸ工程から、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が生じるＡＴＲ工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるＳＲ工程が行われるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程を省略してＡＴＲ工程からＳＲ工程に移行されるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程を省略してＳＲ工程のみが行われるように構成してもよい。なお、ＳＲ工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット４４は不要である。

つぎに、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

つぎに、図２〜図４を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールの構造について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。なお、図２、３ではハウジングは省略している。

図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われたモジュールケース８の内部に設けられた燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有すると共に、モジュールケース８の外部で且つ断熱材７内に設けられた蒸発混合器１４０を有する。

まず、モジュールケース８は、図４に示すように、略矩形の天板８ａ，底板８ｃ，これらの長手方向（図２の左右方向）に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板８ｂからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の２つの対向する開口部を塞ぎ、天板８ａ及び底板８ｃの幅方向（図３の左右方向）に延びる辺同士を連結する閉鎖側板８ｄ，８ｅからなる。

モジュールケース８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７が設けられている。また、天板１６０ａの閉鎖側板８ｄ側の部分には、発電用空気導入管７４が接続される開口部１６８が設けられている。天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、空気通路カバー１６０の天板１６０ａ及び側板１６０ｂとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図３参照）。

モジュールケース８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図４参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュールケース８の閉鎖側板８ｄ側の略中央部に設けられた発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａ内に供給される（図２参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される（図３、図４参照）。

また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン１６２，１６３が設けられている（図３参照）。プレートフィン１６２は、モジュールケース８の天板８ａと空気通路カバー１６０の天板１６０ａの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン１６３は、モジュールケース８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット１６よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。

空気通路１６１ａ，１６１ｂを流れる発電用空気は、特にプレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の内側のモジュールケース８内（具体的には天板８ａ，側板８ｂに沿って設けられた排気通路）を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路１６１ａ，１６１ｂにおいてプレートフィン１６２，１６３が設けられた部分は、熱交換器（熱交換部）として機能する。なお、プレートフィン１６２が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン１６３が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。

つぎに、蒸発混合器１４０は、モジュールケース８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。そして、蒸発混合器１４０は、長手方向（図２の左右方向）の一側端側に、に排気管１７１及び混合ガス供給管１１２が接続され、長手方向の他側端側に排気ガス排出管８２が接続され、排気管１７１により支持されている。また、蒸発混合器１４０とモジュールケース８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分が配置されている（図２及び図３参照）。

具体的には、蒸発混合器１４０は、長手方向（図２の左右方向）の一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい）を供給する水供給配管６２及び原燃料供給配管６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２（図２参照）とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管１７１の上端部が連結されている。排気管１７１は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された開口部１６７を貫通して下方へ延び、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結されている。排気口１１１は、モジュールケース８内の燃焼室１８で生成された排気ガスをモジュールケース８の外へ排出する開口部であり、モジュールケース８の上面視略矩形の天板８ａのほぼ中央部に形成されている。

つぎに、図２及び図３に示すように、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース８の天板８ａとの間に排気ガス誘導部材１３０を介して所定距離隔てられて状態で、天板８ａに対して固定されている。改質器１２０は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔１２０ｂが形成された環状構造体であり、上側ケース１２１と下側ケース１２２とが接合された筐体を有している。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排気口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排気口１１１が形成される。

改質器１２０の長手方向の一端側（モジュールケース８の閉鎖側板８ｅ側）では、上側ケース１２１に設けられた混合ガス供給口１２０ａに混合ガス供給管１１２が連結されており、他端側（閉鎖側板８ｄ側）では、燃料ガス供給管６４が下側ケース１２２に、脱硫器３６まで延びる水添脱硫器用水素取出管６５が上側ケース１２１にそれぞれ連結されている。したがって、改質器１２０は、混合ガス供給管１１２から混合ガス（つまり水蒸気が混合された原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい））を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管６４及び水添脱硫器用水素取出管６５から改質後のガス（即ち、燃料ガス）を排出するように構成されている。

改質器１２０は、その内部空間が２つの仕切り板１２３ａ，１２３ｂによって３つの空間に仕切られることにより、改質器１２０内に、混合ガス供給管１１２からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部１２０Ａと、混合ガスを改質するための改質触媒（図示せず）が充填された改質部１２０Ｂと、改質部１２０Ｂを通過したガスを排出するガス排出部１２０Ｃと、が形成されている（図２参照）。改質部１２０Ｂは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに設けられた複数の連通孔（スリット）を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

混合ガス受入部１２０Ａには、蒸発混合器１４０から混合ガス供給管１１２を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口１２０ａを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部１２０Ａ内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに供給される。
改質部１２０Ｂでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板１２３ｂを通過してガス排出部１２０Ｃに供給される。
ガス排出部１２０Ｃでは、燃料ガスが燃料ガス供給管６４、及び、水添脱硫器用水素取出管６５へ排出される。

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュールケース８内を閉鎖側板８ｄに沿って下方へ延び、底板８ｃ付近で略９０°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

排気ガス誘導部材１３０は、改質器１２０と天板８ａとの間でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材１３０は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板１３１及び上部誘導板１３２と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板１３３，１３４とを備えている（図２，図３参照）。上部誘導板１３２は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板１３１に連結されている。連結板１３３，１３４は、上端部が天板８ａに連結され、下端部が改質器１２０に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材１３０及び改質器１２０を天板８ａに固定している。

下部誘導板１３１は、幅方向（図３の左右方向）の中央部が下方に向けて突出する凸状段部１３１ａが形成されている。一方、上部誘導板１３２は、下部誘導板１３１と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部１３２ａが形成されている。凸状段部１３１ａと凹部１３２ａは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管１１２は、モジュールケース８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、閉鎖側板８ｅ付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板１３２及び下部誘導板１３１を貫通して、改質器１２０に連結されている。

排気ガス誘導部材１３０は、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜１３５が形成されている。このガス溜１３５は、燃焼室１８と流体連通している。すなわち、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜１３５には、運転中に燃焼室１８から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜１３５の内外間のガスの移動は緩やかである。

上部誘導板１３２は、天板８ａと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板１３２と天板８ａとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路１７２が形成されている。この排気通路１７２は、モジュールケース８の天板８ａを挟んで空気通路１６１ａと並設されており、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内のプレートフィン１６２，１６３と同様なプレートフィン１７５が配置されている。このプレートフィン１７５は、プレートフィン１６２と上面視で略同一箇所に設けられており、天板８ａを挟んで上下方向に対向している。空気通路１６１ａ及び排気通路１７２のうち、プレートフィン１６２，１７５が設けられた部分において、空気通路１６１ａを流れる発電用空気と排気通路１７２を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。

また、改質器１２０は、モジュールケース８の側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器１２０と側板８ｂとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路１７３が形成されている。また、排気ガス誘導部材１３０も側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路１７３は、排気ガス誘導部材１３０と側板８ｂとの間の通路を含んで天板８ａまで延びている。排気通路１７３は、天板８ａと側板８ｂとの角部に位置する排気ガス導入口１７２ａで排気通路１７２と連通している。この排気ガス導入口１７２ａは、モジュールケース８内で長手方向に延びている。

さらに、下部誘導板１３１は、改質器１２０の上側ケース１２１の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板１３１と上側ケース１２１との間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、貫通孔１２０ｂを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路１７４を形成している。この排気通路１７４は、改質器１２０の上方で排気通路１７３と合流する。

つぎに、図５を参照して、燃料電池セルユニット１６について説明する。
図５は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子８６とを備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路細管９８が形成されている。

この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図２参照）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図２参照）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

つぎに、図６を参照して、燃料電池セルスタック１４について説明する。
図６は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図６に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２参照）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図６では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６に接続され、上述したように、１２８本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に、図７及び図８を参照して、蒸発混合器１４０の詳細な構造を説明する。
図７は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの蒸発混合器を拡大断面図である。また、図８は、図７に示す固体酸化物形燃料電池システムの蒸発混合器の天板を省略した状態の斜視図である。

図７に示すように、蒸発混合器１４０は、上面視で略矩形の箱状の蒸発器ケース１４１を有している。この蒸発器ケース１４１は、第１の容器１４３と、第１の容器１４３の下方に重ね合わされた第２の容器１４４と、第１の容器１４３の上部を塞ぐ天板１４２とにより構成されている。この構成により、第１の容器１４３の上側と天板１４２の下側との間に蒸発室１５０及び混合室１５１が夫々形成される。従って、天板１４２の下側の面は、蒸発室１５０及び混合室１５１の連続した天井面を構成する。また、第１の容器１４３の下側と第２の容器１４４の上側との間には、排気ガス室である排気ガス流路１５４が形成される。このように、蒸発混合器１４０には、その上層側に蒸発室１５０及び混合室１５１が形成され、下層側に排気ガス流路１５４が形成されている。

また、蒸発室１５０内には、多数の粒状の熱伝導性の部材から形成された蒸発促進材（図７に想像線で示す）が充填されている。蒸発促進材としては、例えば、球状のアルミナボールなどを用いることができる。蒸発室１５０内に充填されたアルミナボールは、天板１４２に当接している。

天板１４２は、平板状の金属部材からなる。天板１４２の一方の端部の幅方向一側部には原燃料供給配管６３を接続するための開口部が形成され、一方の端部の幅方向中央には水供給配管６２を接続するための開口部が形成されている。さらに、天板１４２には、下方に向けて突出するように、Ｌ字型断面の補強部材１４２Ａが幅方向に延びるように取り付けられている。この補強部材１４２Ａは、蒸発室１５０の天井面から下方に向けて突出し、蒸発室１５０内に充填されたアルミナボールと接触している。

図８に想像線で示すように、補強部材１４２Ａは、蒸発室１５０の短手方向（幅方向）に延びるように設けられている。一方、図７に示すように、水供給配管６２及び原燃料供給配管６３は、蒸発混合器１４０の長手方向の一方の端部に接続されている。ここから流入した原燃料ガス及び水（水蒸気）は、図７において左方向に流れ、蒸発混合器１４０の左側に形成された混合室１５１に流入する。このように、補強部材１４２Ａは、水及び原燃料ガスの蒸発室１５０への流入口と、蒸発室１５０と混合室１５１の接続部とを結ぶ「流れ経路」を横断するように延びている。また、天板１４２に補強部材１４２Ａを取り付けることにより、天板１４２は補強され、その変形が抑制されている。

ここで、蒸発室１５０の下層には排気ガス流路１５４が形成されており、蒸発室１５０の床面（蒸発面）は高温となる。このため、蒸発室１５０内に供給された水は、その床面上で蒸発され水蒸気となる。一方、蒸発室１５０の天井面は、排気ガス流路１５４から離間していると共に、蒸発室１５０内に供給される低温の原燃料ガスによって冷却されるので温度が低くなりやすい。このため、蒸発室１５０内で生成された水蒸気がその天井面に接触すると、結露して水滴が生成される場合がある。

このように、蒸発室１５０の天井面で生成された水滴が大きな水滴に成長し、この水滴が、連続した天井面を形成している混合室１５１まで伝わって流れ、混合室１５１に侵入すると突沸の発生原因となる。即ち、天井面で成長した大きな水滴が天井面を伝わって流れ、混合室１５１内で床面に落下すると、混合室１５１の床面は排気ガスにより高温に加熱されているため、多量の水が瞬間的に蒸発され、突沸が起こる。突沸が発生すると、混合室１５１内及び蒸発室１５０内の圧力が急上昇するので、一時的に蒸発室１５０内に原燃料ガスが導入されにくくなり、燃料電池セルスタック１４は燃料不足の状態となる。この一時的な燃料不足が、一時的な発電電圧の低下を引き起こしたり、各燃料電池セルユニット１６の劣化の原因となる。

本実施形態においては、蒸発室１５０を形成する天板１４２に補強部材１４２Ａが取り付けられているので、天井面で生成された水滴が大きな水滴に成長する前に、これを蒸発室１５０内に落下させることができる。即ち、補強部材１４２Ａは、水及び原燃料ガスの蒸発室１５０への流入口と、蒸発室１５０と混合室１５１の接続部とを結ぶ「流れ経路」を横断するように設けられている。このため、天井面を伝わって混合室１５１の方へ移動する水滴は、補強部材１４２Ａによって確実にその移動を阻止され、蒸発室１５０内に落下する。このため、天井面で生成された水滴は大きな水滴に成長し難く、水滴が大きく成長した場合でも、天井面を伝わって混合室１５１に侵入することはない。従って、天板１４２に設けた補強部材１４２Ａは、混合室１５１への水滴の流入を抑制する「流入抑制部」として機能する。

また、補強部材１４２Ａは蒸発室１５０内に充填された蒸発促進材であるアルミナボールと接触しているので、補強部材１４２Ａによって移動を阻止された水滴は、補強部材１４２Ａに接触しているアルミナボールに誘導され、これを伝わって蒸発室１５０内に容易に落下する。充填されたアルミナボールは蒸発室１５０の床面よりも温度が低いため、アルミナボールに伝わった水滴は少しずつ蒸発され、突沸を発生することがない。

さらに、天板１４２に設けた補強部材１４２Ａは、天板１４２を補強し、その変形を抑制している。ここで、天板１４２が変形により傾斜すると、天井面に付着した水滴は混合室１５１の方へ流れやすくなる。即ち、補強部材１４２Ａは、天板１４２を補強することによっても、水滴の混合室１５１室への流入を抑制している。換言すれば、本実施形態における補強部材１４２Ａ以外の構成であっても、天板１４２を補強するための構成は「流入抑制部」として機能させることができる。

図７及び図８に示すように、第１の容器１４３は一枚の金属部材をプレス成形して構成されてる。即ち、第１の容器１４３は、１枚の金属板により、底面１４３Ａと、この外周縁から上方に延びる側壁１４３Ｂと、側壁１４３Ｂの上端から水平方向外方に延びる鍔部１４３Ｃと、を形成している。さらに、底面１４３Ａの、水供給配管６２及び原燃料供給配管６３とは反対側の長手方向端部には、円筒形の隔壁１４７が取り付けられている。ここで、蒸発室１５０及び混合室１５１は、第１の容器１４３上側の底面１４３Ａ上に形成され、これらは隔壁１４７によって分離される。また、本実施形態においては、蒸発室１５０の床面となる底面１４３Ａにはブラスト加工が施されている。ブラスト加工によって蒸発室１５０の床面に適切な表面粗さを与えることにより床面の親水性が高くなり、床面上に供給された水は大きく広がり蒸発しやすくなる。

第１の容器１４３の底面１４３Ａは隔壁１４７により分割され、この隔壁１４７の外側は水供給配管６２及び原燃料供給配管６３が接続される蒸発室１５０の床面を構成し、隔壁１４７の内側の底面１４３Ａは混合ガス供給管１１２が接続される混合室１５１の床面を構成している。円筒形の隔壁１４７の外側の底面１４３Ａは、蒸発室１５０の床面であり、排気ガスと水供給配管１６２から供給された水との間で熱交換するための蒸発面として機能する。従って、混合室１５１は、上面視において円形に構成され、蒸発室１５０の蒸発面によって周囲を取り囲まれている。

また、図８に示すように、隔壁１４７の上端の一部には切欠１４７Ａが設けられており、この切欠１４７Ａと天板１４２の間の隙間が、蒸発室１５０と混合室１５１を連通させる接続部であり、混合室流入口として機能する。また、切欠１４７Ａは、蒸発混合器１４０に接続されている水供給配管６２とは反対の側に設けられており、水供給配管１６２から蒸発室１５０内へ水を流入させる水流入口から最も離れた位置に形成されている。なお、切欠１４７Ａの深さは、蒸発室１５０内に充填された蒸発促進材であるアルミナボールの径よりも小さい。このため、蒸発室１５０内のアルミナボールが切欠１４７Ａを通って混合室１５１に侵入することはない。

円筒形の隔壁１４７の内側には、同心円状に混合ガス供給管１１２の上端が突出している。即ち、混合ガス供給管１１２の上端は、混合室１５１の内部に突出し、その天井面（天板１４２）まで延びている。この混合ガス供給管１１２の先端部には連通口１１２ａが形成されており、混合ガス供給管１１２の外側と内側は連通口１１２ａを介して連通されている。連通口１１２ａは、隔壁１４７に設けられた切欠１４７Ａの反対側に形成されており、切欠１４７Ａによって形成された混合室流入口から最も離れた位置に位置している。これにより、混合室１５１内には、混合室流入口（切欠１４７Ａ）から流入した気体が、一旦２つの流路に分岐されて混合ガス供給管１１２の両側へ流れた後、連通口１１２ａにおいてそれらが再び合流されるように流路が形成される。

混合ガス供給管１１２の内側に流入した混合ガス（原燃料ガス＋水蒸気）は、混合ガス供給管１１２の中を通って底面１４３Ａの下側に流出する。従って、混合ガス供給管１１２の底面１４３Ａを貫通する部分は、混合室流出口１５１ａとして機能し、この混合室流出口１５１ａは蒸発室１５０の蒸発面によって周囲を取り囲まれている。また、隔壁１４７は混合室１５１の外周壁として機能し、この内側に位置する混合ガス供給管１１２の壁面は、混合室１５１の内周壁として機能する。

混合ガス供給管１１２は、排気管１７１の内部を通過するように配置されており、一端が第１の容器１４３に形成された開口部に挿入され、他端が改質器１２０の天面に形成された混合ガス供給口１２０ａ（図２）に連結されている。混合ガス供給管１１２は、排気管１７１内を通過してモジュールケース８内まで鉛直下方に延び、そこで略９０°屈曲されて天板８ａに沿って水平方向に延びた後、下方へ略９０°屈曲されて改質器１２０に連結されている。

次に、図７に示すように、第２の容器１４４は、第１の容器１４３の下側に配置された容器であり、底面１４４Ａと、底面１４４Ａの外周縁から上方に延びる側壁１４４Ｂと、側壁１４４Ｂの上端から水平方向外方に延びる鍔部１４４Ｃと、を備える。第２の容器１４４の底面１４４Ａには排気管１７１の上端が接続される開口部が形成され、側壁１４４Ｂには排気ガス排出管８２が接続される開口部が形成されている。第２の容器１４４は、第１の容器１４３に下方から重ね合わされた状態において、その鍔部１４４Ｃの上面が、第１の容器１４３の鍔部１４３Ｃの下面に当接している。

また、図７に示すように、第１の容器１４３と第２の容器１４４の間の空間には、ガス流路形成板１５９が配置されている。このガス流路形成板１５９は薄板を折り曲げることにより、第１垂直部１５９Ａと、底面部１５９Ｂと、傾斜面部１５９Ｃと、上面部１５９Ｄと、第２垂直部１５９Ｅと、脚面部１５９Ｆと、を形成している。また、第１垂直部１５９Ａには、排気ガスを通過させるための複数の開口部（図示せず）が形成されている。

第１垂直部１５９Ａは第１の容器１４３の底面１４３Ａから鉛直下方に延びる部分であり、この第１垂直部１５９Ａの下端から底面部１５９Ｂが水平方向に延びている。この底面部１５９Ｂは、第２の容器１４４の底面１４４Ａ上に当接するように配置されている。傾斜面部１５９Ｃは、底面部１５９Ｂの先端から斜め上方に延びる傾斜面であり、第１の容器１４３の底面１４３Ａ（蒸発面）の近傍まで延びている。上面部１５９Ｄは、傾斜面部１５９Ｃの上端から水平方向に延びる平面であり、第１の容器１４３の底面１４３Ａと平行に延びている。第２垂直部１５９Ｅは上面部１５９Ｄの先端から鉛直下方に延びる面であり、その下端は第２の容器１４４の底面１４４Ａまで延びている。第２垂直部１５９Ｅの下端からは、脚面部１５９Ｆが、第２の容器１４４の底面１４４Ａと当接するように水平方向に延びている。

また、第１の容器１４３の底面１４３Ａと、第２の容器１４４の底面１４４Ａとの間の空間は、排気ガス流路１５４として機能する。この排気ガス流路１５４は、排気管１７１と排気ガス排出管８２とを連通させるように、蒸発混合器１４０の長手方向に延びている。また、上記のように、第１の容器１４３と第２の容器１４４の間の空間にガス流路形成板１５９が配置されることにより、排気ガス流路１５４の形態が形作られている。即ち、ガス流路形成板１５９を配置することにより、排気ガス室である排気ガス流路１５４の下流側の床面が高くされ、この部分で排気ガスの流路断面積が狭くされている。

さらに、排気ガス流路１５４には、プレートフィン１５５が配置されている。このプレートフィン１５５は、排気ガス流路１５４内の、第１の容器１４３の底面１４３Ａと、ガス流路形成板１５９の上面部１５９Ｄとの間に、これらと当接するように配置されている。プレートフィン１５５は、平面の金属板にプレス加工を施すことにより、板面の表側及び裏側に多数の突起部を形成したものである。プレートフィン１５５に設けられたこれらの突起部は、底面１４３Ａ及び上面部１５９Ｄと夫々当接しており、これにより、排気ガス流路１５４内を流れる排気ガスの熱が蒸発面である底面１４３Ａに効果的に伝達される。

また、排気ガス流路１５４内に配置されたガス流路形成板１５９の第１垂直部１５９Ａと傾斜面部１５９Ｃの間の空間には、燃焼触媒が充填されている。これにより、この空間に流入した排気ガスに含まれる一酸化炭素等の有害ガス（未燃燃料）が燃焼触媒により酸化され、無害化される。従って、排気ガス流路１５４内の、第１垂直部１５９Ａと傾斜面部１５９Ｃの間の空間は燃焼触媒器としても機能する。

さらに、蒸発混合器１４０はヒータ１５７を備える。図８に示すように、ヒータ１５７は矩形状の蒸発混合器１４０の三辺の外周に沿うように設けられており、両端部は蒸発室１５０側に向かって延在している。図７に示すように、ヒータ１５７は第１の容器１４３の側壁１４３Ｂと、第２の容器１４４の側壁１４４Ｂとが重なり合った第１の重なり部に側方から当接している。さらに、ヒータ１５７は、第１の容器１４３の鍔部１４３Ｃと、第２の容器１４４の鍔部１４４Ｃと、天板１４２とが重なり合った第２の重なり部に下方から当接している。なお、ヒータ１５７は蒸発混合器１４０の全周に沿うように設けてもよいし、ヒータ１５７を設けなくても良い。

図７及び図８に示すように、水供給配管６２及び原燃料供給配管６３は、天板１４２に形成された開口に挿通され、蒸発室１５０室内まで延びている。なお、水供給配管６２は、蒸発室１５０の端部の幅方向（短手方向）中央に挿通され、原燃料供給配管６３は、蒸発室１５０の端部の蒸発室１５０の幅方向一側に挿通されている。このように、水供給配管６２が蒸発室１５０の幅方向中央に配置されていることにより、水供給配管６２から蒸発室１５０の床面上に供給された水は、床面の一部分に偏ることなく床面全体に均等に広がるので、蒸発室１５０の床面全体を蒸発面として有効に利用することができる。

また、図８に示すように、蒸発混合器１４０に接続されている原燃料供給配管６３には、その途中に流路断面積を狭くするための絞り部６３ａが設けられている。原燃料供給配管６３は金属製の円管で構成されているが、その途中を所定量押し潰すことにより絞り部６３ａを形成している。このように、原燃料供給配管６３の途中に絞り部６３ａを形成し、流路断面積を狭くすることにより、蒸発室１５０内に充填されたアルミナボールが輸送中等に原燃料供給配管６３内に深く侵入するのを阻止している。同様に、水供給配管６２の途中にも、流路断面積を狭くするための絞り部６２ａが設けられている。

一方、図７及び図８に示すように、排気ガス排出管８２は、排気ガス流路１５４の下流端部の、幅方向（短手方向）中央に接続され、水平方向に延びている。即ち、排気ガスは、蒸発混合器１４０を形成する第２の容器１４４の側壁１４４Ｂに設けられた排気ガス排出口を通って排気ガス排出管８２に流入する。

このような蒸発混合器１４０では、図７に示すように、排気管１７１から供給された排気ガスは排気ガス流路１５４を流れ、排気ガス排出管８２へと排出される。そして、水供給配管６２から蒸発室１５０に供給された水は、その床面（底面１４３Ａ）上を拡がりながら流れる。そして、底面１４３Ａを介して排気ガスと水との間で熱交換が行われ、水が蒸発して水蒸気が生成される。蒸発室１５０で発生した水蒸気は、原燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとともに混合室１５１に流れこみ、水蒸気と燃料ガスとが混合されて、混合ガス供給管１１２へと排出される。即ち、排気ガスは、蒸発混合器１４０の長手方向の第１の端部（混合室１５１側の端部：図７の左側端部）から蒸発混合器１４０の第２の端部（蒸発室１５０側の端部：図７の右側端部）へ流れる。一方、水蒸気及び原燃料ガスは蒸発混合器１４０の第２の端部から第１の端部側へ（図７の右側から左方向へ）流れる。このように、本実施形態においては、熱交換を行う流体が反対方向に流れるカウンターフローが実現されている。

ここで、排気管１７１から蒸発混合器１４０に流入した高温の排気ガスは、第２の容器１４４内の、ガス流路形成板１５９の第１垂直部１５９Ａの左側の空間に流入し、第１垂直部１５９Ａに設けられた開口部（図示せず）を通ってその右側の空間に流入する。これにより、排気ガスは、蒸発室１５０の下流側の端部の床面（底面１４３Ａ）を加熱し、蒸発室１５０内の水を蒸発させる。次いで、排気ガスは、第１の容器１４３の底面１４３Ａと、ガス流路形成板１５９の上面部１５９Ｄの間の、高さの低い流路に流入する。このように、排気ガスを高さの高い流路から高さの低い流路に流入させることにより、加熱すべき蒸発室１５０の床面近傍に排気ガスを集中させることができる。このため、蒸発室１５０の下流側部分において熱交換を行い温度が低下した排気ガスであっても、蒸発室１５０の床面を効果的に加熱することができる。また、高さの低い流路にはプレートフィン１５５が配置されているため、排気ガスの熱を効率良く蒸発室１５０の床面に伝えることができる。

さらに、蒸発室１５０の床面（底面１４３Ａ）を加熱した排気ガスは、ガス流路形成板１５９の第２垂直部１５９Ｅの右側の空間に流入する。この空間に流入した排気ガスは、蒸発混合器１４０に接続された排気ガス排出管８２から流出する。ここで、上記のように、排気ガス排出管８２は、排気ガス流路１５４の幅方向中央に接続されているので、排気ガスは排気ガス排出口が設けられた幅方向中央に集められ、蒸発室１５０床面の幅方向中央を効果的に加熱する。この幅方向中央には、水供給配管６２から蒸発室１５０内に水を流入させる水導入口が設けられているので、水供給配管６２から蒸発室１５０の床面に落下した水を効果的に加熱することができる。

つぎに、図９及び図１０を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。
図９は、図２と同様の、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図１０は、図３と同様の、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。なお、図９及び図１０は、それぞれ、図２及び図３中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。

図９及び図１０に示すように、水及び原燃料ガス（原料ガス）は、蒸発混合器１４０の長手方向の一端側に連結された水供給配管６２及び原燃料供給配管６３から蒸発混合器１４０の上層に設けられた蒸発室１５０内に供給される。蒸発室１５０に供給された水は、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１の上面の広範囲に拡がる。このようにして広範囲に広がった水は、蒸発混合器１４０の下層に設けられた排気ガス流路１５４を流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この際、蒸発室１５０内にはアルミナボール（蒸発促進部材）が充填されているため、排気ガス流路１５４からの熱がアルミナボールを介して水に伝達される。この水蒸気と、原燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発室１５０内を下流方向に流れて行く。

蒸発室１５０内で発生した水蒸気と原燃料ガスとは、蒸発室１５０と混合室１５１の接続部である、隔壁１４７の上端に形成された切欠１４７Ａ内を通過して混合室１５１へと流入する（図７及び図８）。なお、蒸発室１５０と混合室１５１は隔壁１４７により分離されているので、蒸発室１５０内で蒸発していない水は、混合室１５１には侵入しない。そして、切欠１４７Ａから円筒形の隔壁１４７の内側に流入した水蒸気と原燃料ガスとは、混合ガス供給管１１２の周りを両側に分かれて流れる。水蒸気と原燃料ガスとは、このように混合ガス供給管１１２の周りを流れ、連通口１１２ａを通って混合ガス供給管１１２の内側へ流れる間に混合されて、混合ガス供給管１１２の中を下方に流出する。

混合ガス供給管１１２へ流入した混合ガス（原燃料ガス＋水蒸気）は、混合ガス供給管１１２を通って、モジュールケース８内の改質器１２０に供給される。混合ガス供給管１１２は、排気ガス流路１５４，排気管１７１，及び排気通路１７２の近傍を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管１１２内の混合ガスは更に加熱される。

混合ガスは、改質器１２０内の混合ガス受入部１２０Ａ内に流入し、ここから仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに流入する。混合ガスは、改質部１２０Ｂにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板１２３ｂを通過して、ガス排出部１２０Ｃに流入する。

さらに、燃料ガスは、ガス排出部１２０Ｃから燃料ガス供給管６４と水添脱硫器用水素取出管６５とに分岐する。そして、燃料ガス供給管６４に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管６４の水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからマニホールド６６内に供給され、マニホールド６６から各燃料電池セルユニット１６内に供給される。

また、図９及び図１０に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａに供給される。発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の下部のモジュールケース８内に形成された排気通路１７２，１７３を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａのプレートフィン１６２に対応してプレートフィン１７５が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン１６２とプレートフィン１７５とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される。

これにより、マニホールド６６から各燃料電池セルユニット１６内に供給された燃料ガスと、吹出口８ｆから発電室１０内に噴射され、各燃料電池セルユニット１６の周囲を流れる発電用空気との間で発電反応が発生し、電力が生成される。また、各燃料電池セルユニット１６において発電に利用されずに残った燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の先端で、燃焼室１８内において燃焼されて燃焼ガス（排気ガス）となり、モジュールケース８内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路１７３と排気通路１７４とに分岐して、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の側板８ｂとの間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂから改質器１２０と排気ガス誘導部材１３０との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路１７４を通過する排気ガスは、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方に配置された凸状段部１３１ａによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材１３０の下部に留まることなく排気通路１７３に向けて誘導され、排気通路１７３を流れる排気ガスに素早く合流される。

その後、排気ガスは、排気ガス導入口１７２ａから排気通路１７２に流入する。排気通路１７２内では、排気ガスは、排気通路１７２を水平方向に流れていき、モジュールケース８の天板８ａの中央に形成された排気口１１１から流出する。

なお、排気ガスが排気通路１７３を上方へ流れていく際に、空気通路１６１ｂ内に設けられたプレートフィン１６３を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路１７２を水平方向に流れていく際に、排気通路１７２内に設けられたプレートフィン１７５と、このプレートフィン１７５に対応して空気通路１６１ａ内に設けられたプレートフィン１６２とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。

そして、排気口１１１から流出した排気ガスは、モジュールケース８の外部に設けられた排気管１７１を通過して蒸発混合器１４０の排気ガス流路１５４に流入する。排気ガス流路１５４に流入した排気ガスは、排気ガス流路１５４内を排気ガス排出管８２に向かって流れる。この際、排気ガス流路１５４には、プレートフィン１５５が設けられているため、より効率良く排気ガスと蒸発室１５０内の水との熱交換が行われる。

本発明の第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、蒸発混合器１４０の下層側の排気ガス室である排気ガス流路１５４には第１の端部から第２の端部へ（図７の左から右へ）燃焼ガスが流れ、上層側の蒸発室１５０には第２の端部（図７の右側端部）から水が導入され、生成された水蒸気は第１の端部側（図７の左側）から流出する。このように、本実施形態によれば、熱交換を行う燃焼ガスと水蒸気（水）が反対方向に流れるカウンターフローが実現されているので、燃焼ガスの熱を効率的に水に伝えることができ、少ない熱量で必要量の水蒸気を生成することができる。また、カウンターフローが実現されているため、蒸発室１５０で最も温度が低くなる第２の端部に水が供給されることとなり、供給された水は温度の低い部分から次第に温度の高い部分に移動される。このため、供給された水が急激に加熱されることにより発生する突沸を抑制することができる。

さらに、蒸発室１５０の下流側の混合室１５１が、蒸発面（第１の容器１４３の底面１４３Ａ）に周囲を取り囲まれるように形成されている（図８）ので、排気ガス流路１５４の最上流側付近の上層を蒸発室１５０として使用することができる。これにより、排気ガス流路１５４内の高温の燃焼ガスが流れる部分の上層を蒸発面として利用することが可能になり、蒸発室１５０における水蒸気の生成能力を高めることができる。これにより、燃料電池セルにおける燃料枯れ（燃料不足）発生のリスクを低減することができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、蒸発室１５０内に経路を延長するための仕切りの壁面が設けられておらず、蒸発室１５０内に供給された水は、蒸発室１５０の内壁面（第１の容器１４３の底面１４３Ａ及び側壁１４３Ｂ、及び天板１４２）、及びこの内壁面によって加熱された蒸発促進材であるアルミナボールのみを介して加熱されるので、突沸の発生を抑制することができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、混合室１５１の内部に、原燃料ガス及び水蒸気を一旦複数の流路（混合ガス供給管１１２の両側）に分岐させた後、それらを再び合流（混合ガス供給管１１２の連通口１１２ａ）させるように流路が形成されているので、短い流路で効率良く原燃料ガスと水蒸気を混合することができる。この結果、混合室１５１をコンパクトに形成することが可能になり、蒸発室１５０の蒸発面をさらに広くすることができ、水蒸気の生成能力を高くすることができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、混合室流出口１５１ａ（図７）が、蒸発面（第１の容器１４３の底面１４３Ａ）に周囲を取り囲まれるように配置されているので、蒸発面をさらに広くすることができる。即ち、蒸発面が混合室流出口１５１ａの周囲を取り囲んでいるので、混合室流出口１５１ａから流出する原燃料ガスと水蒸気の混合ガスを流すための管路によって蒸発面が占有されることがなく、蒸発面を広くすることができる。

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１においては、混合室１５１は、混合室流出口１５１ａの周囲を取り囲むように形成された内周壁（混合ガス供給管１１２の管壁）と、この内周壁の外側を取り囲むように形成された外周壁（円筒形の隔壁１４７）によって構成され、蒸発室１５０から原燃料ガス及び水蒸気を流入させる混合室流入口（隔壁１４７の切欠１４７Ａ）は、外周壁上の、水流入口（水供給配管６２の先端開口）から最も離れた位置に形成され、内周壁の内側と外側を連通させる連通口（混合ガス供給管１１２の連通口１１２ａ）は、内周壁上の、混合室流入口から最も離れた位置に形成されている。これにより、短い経路で水蒸気と原燃料ガスを混合することができる混合室１５１を、簡単な構造で実現することができる。

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１によれば、混合室１５１の外周壁（円筒形の隔壁１４７）が上面視において円形に構成されているので、混合室１５１内を流れる水蒸気と原燃料ガスの混合性を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。

１ 固体酸化物形燃料電池システム
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング
７ 断熱材
８ モジュールケース（モジュール容器）
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室（燃焼部）
２８ 水流量調整ユニット（水供給装置）
３８ 燃料流量調整ユニット（燃料ガス供給装置）
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５４ インバータ
６２ 水供給配管
６３ 原燃料供給配管
８２ 排気ガス排出管
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９２ 外側電極層
９４ 電解質層
１１２ 混合ガス供給管
１２０ 改質器
１４０ 蒸発混合器
１４１ 蒸発器ケース
１４２ 天板（蒸発室及び混合室の天井面）
１４２Ａ 補強部材（流入抑制部）
１４３ 第１の容器
１４３Ａ 底面（蒸発室の床面）
１４３Ｂ 側壁
１４３Ｃ 鍔部
１４４ 第２の容器
１４４Ａ 底面
１４４Ｂ 側壁
１４４Ｃ 鍔部
１４７ 隔壁
１４７Ａ 切欠（接続部）
１５０ 蒸発室
１５１ 混合室
１５４ 排気ガス流路（排気ガス室）
１５５ プレートフィン
１５７ ヒータ
１６０ 空気通路カバー
１６２ プレートフィン
１６３ プレートフィン
１６７ 開口部
１７１ 排気管
１７２ 排気通路
１７２ａ 排気ガス導入口
１７３ 排気通路
１７４ 排気通路
１７５ プレートフィン

Claims (6)

1. 原燃料ガスを水蒸気改質した燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムに使用される蒸発混合器であって、
   上記固体酸化物形燃料電池システムは、
   上記燃料電池セルにおいて発電に使用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
   原燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   この燃料ガス供給装置によって供給された原燃料ガスを水蒸気改質するための水を供給する水供給装置と、を備え、
   上記蒸発混合器は、
   下層側に形成され、上記燃焼部で生成された燃焼ガスが流れる排気ガス室と、
   上層側に形成され、上記水供給装置から供給された水を、上記排気ガス室内を流れる燃焼ガスの熱により蒸発させる蒸発室と、
   この蒸発室の下流側に形成され、生成された水蒸気と、上記燃料ガス供給装置から供給された原燃料ガスを混合する混合室と、を有し、
   燃焼ガスは上記蒸発混合器の長手方向の第１の端部から第２の端部へ流れ、上記水供給装置からの水は上記蒸発混合器の長手方向の第２の端部に供給され、生成された水蒸気は上記蒸発混合器の上記第１の端部側から流出し、
   上記燃料ガス供給装置からの原燃料ガスは上記蒸発室に供給されると共に、上記水供給装置からの水は、水流入口を介して上記蒸発室の床面である蒸発面上に供給され、
   上記混合室は、上記蒸発面に周囲を取り囲まれるように形成されていることを特徴とする蒸発混合器。
2. さらに、上記蒸発室の内部に配置された蒸発促進材を有し、上記蒸発室内に供給された水は、上記排気ガス室内を流れる燃焼ガスによって加熱された上記蒸発室の内壁面、及びこの内壁面によって加熱された上記蒸発促進材のみを介して加熱される請求項１記載の蒸発混合器。
3. 上記混合室の内部には、流入した原燃料ガス及び水蒸気を一旦複数の流路に分岐させた後、それらを再び合流させるように流路が形成されている請求項１又は２に記載の蒸発混合器。
4. 上記混合室において混合された原燃料ガス及び水蒸気を流出させる混合室流出口は、上記蒸発面に周囲を取り囲まれるように配置されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の蒸発混合器。
5. 上記混合室は、上記混合室流出口の周囲を取り囲むように形成された内周壁と、この内周壁の外側を取り囲むように形成された外周壁によって構成され、上記蒸発室から原燃料ガス及び水蒸気を流入させる混合室流入口は、上記外周壁上の、上記水流入口から最も離れた位置に形成され、上記内周壁の内側と外側を連通させる連通口は、上記内周壁上の、上記混合室流入口から最も離れた位置に形成されている請求項４記載の蒸発混合器。
6. 上記混合室の上記外周壁は上面視において円形に構成されている請求項５記載の蒸発混合器。

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